基于動(dòng)態(tài)時(shí)間窗口的制絲穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)異常報(bào)警

孔維熙+朱知元+郭瑞川+洪宏+楊天侯+楊劍鋒+張維

摘 要：煙絲生產(chǎn)過程中的質(zhì)量控制對(duì)于卷煙生產(chǎn)企業(yè)至關(guān)重要。在生產(chǎn)過程中，需要對(duì)制絲過程中的工藝參數(shù)超標(biāo)情況進(jìn)行及時(shí)、有效的報(bào)警。在制絲過程中，原料剛進(jìn)入生產(chǎn)設(shè)備和快結(jié)束生產(chǎn)時(shí)都會(huì)出現(xiàn)正常的數(shù)據(jù)波動(dòng)，因此，在工藝參數(shù)報(bào)警時(shí)，需要排除這2段非穩(wěn)定狀態(tài)下的數(shù)據(jù)，只對(duì)穩(wěn)態(tài)下的數(shù)據(jù)報(bào)警。以往的穩(wěn)態(tài)區(qū)域需要監(jiān)控人員根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判定，時(shí)效性不強(qiáng)且存在異常信息漏報(bào)、誤報(bào)問題。鑒于此，特提出了一種基于動(dòng)態(tài)時(shí)間窗口的制絲穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)異常報(bào)警方法，以提高異常報(bào)警的實(shí)時(shí)性和有效性。

關(guān)鍵詞：卷煙企業(yè)；煙絲生產(chǎn)；動(dòng)態(tài)時(shí)間窗口；異常報(bào)警

中圖分類號(hào)：TS43 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.11.019

產(chǎn)品質(zhì)量是卷煙生產(chǎn)企業(yè)的命脈，煙絲的加工水平又是重中之重。在過去的質(zhì)量管理中，已經(jīng)引入了信息化的管理手段，以加強(qiáng)對(duì)加工工藝參數(shù)的監(jiān)控。這一監(jiān)控過程的有效實(shí)現(xiàn)依賴于穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)的判斷，即在監(jiān)控中只對(duì)原料已經(jīng)進(jìn)入生產(chǎn)設(shè)備一段時(shí)間且工藝參數(shù)均處于一種小幅度波動(dòng)的穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行報(bào)警，排除原料剛進(jìn)入和即將結(jié)束生產(chǎn)時(shí)劇烈波動(dòng)的非穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)，以此來提高異常報(bào)警的有效性。因此，穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)的有效判斷對(duì)于工藝參數(shù)異常報(bào)警起著決定性作用?，F(xiàn)有的穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)判斷需要監(jiān)控人員根據(jù)多因素來決定，這導(dǎo)致穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)判斷要么時(shí)效性不強(qiáng)，要么出現(xiàn)漏報(bào)和誤報(bào)的情況。因此，本文提出了一種基于動(dòng)態(tài)時(shí)間窗口的制絲穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)異常報(bào)警方法。這種方法根據(jù)設(shè)備生產(chǎn)前的投料量和設(shè)備生產(chǎn)速度實(shí)時(shí)計(jì)算生產(chǎn)當(dāng)前批次煙絲所需的時(shí)間，形成異常報(bào)警的時(shí)間窗口。時(shí)間窗口的起點(diǎn)以監(jiān)控工藝參數(shù)持續(xù)進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)開始，結(jié)束以時(shí)間窗口的結(jié)束為止。

1 工藝參數(shù)運(yùn)行規(guī)律分析

制絲車間主要涉及5大機(jī)型，分別為回潮機(jī)、加料機(jī)、切絲機(jī)、烘絲機(jī)和加香機(jī)，每種機(jī)型的工藝參數(shù)監(jiān)控側(cè)重點(diǎn)各有不同，唯有出料含水率和出料溫度是每種機(jī)型都需要重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容。因此，本文將回潮機(jī)的出料含水率作為研究對(duì)象，對(duì)其在生產(chǎn)中的運(yùn)行規(guī)律進(jìn)行研究。

松散回潮機(jī)出口含水率曲線如圖1所示。

圖1中分別標(biāo)注了A，B，C，D這4處特征區(qū)域，A區(qū)域代表物料剛從生產(chǎn)設(shè)備中生產(chǎn)出來，水分傳感器檢測到的含水率從較小值逐漸上升到含水率設(shè)定值附近；B區(qū)域代表生產(chǎn)過程中出現(xiàn)生產(chǎn)中斷的情況，后又恢復(fù)生產(chǎn)；C區(qū)域代表穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)中出現(xiàn)的異常波動(dòng)情況；D區(qū)域代表生產(chǎn)結(jié)束含水率逐漸降到較小值。從A區(qū)域水分波動(dòng)逐漸平穩(wěn)到D區(qū)域數(shù)據(jù)出現(xiàn)明顯下降之間的區(qū)域被稱為穩(wěn)態(tài)。其中，B區(qū)域的生產(chǎn)中斷和C區(qū)域出現(xiàn)的數(shù)據(jù)異常波動(dòng)都是需要進(jìn)行異常報(bào)警的區(qū)域，而A區(qū)域和D區(qū)域的數(shù)據(jù)波動(dòng)都不能進(jìn)行異常報(bào)警，否則會(huì)產(chǎn)生過多無用的異常信息，降低異常信息的有效性。

在以往的工藝參數(shù)監(jiān)控中，監(jiān)控人員根據(jù)投料情況、生產(chǎn)時(shí)長、電子稱流量和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)等因素判斷數(shù)據(jù)是否進(jìn)入穩(wěn)態(tài)。當(dāng)數(shù)據(jù)處于穩(wěn)態(tài)時(shí)再用生產(chǎn)原料的工藝控制范圍與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)作對(duì)比，如果發(fā)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)超出控制范圍，便可重點(diǎn)關(guān)注該工藝參數(shù)，并進(jìn)行有效的調(diào)控。但鑒于監(jiān)控人員的經(jīng)驗(yàn)、注意力的差異和監(jiān)控點(diǎn)數(shù)量比較多，導(dǎo)致異常信息被漏報(bào)或者誤報(bào)。

2 異常信息報(bào)警模型

由于需要監(jiān)控的工藝參數(shù)點(diǎn)比較多，且對(duì)時(shí)效性的要求比較高，所以，建立的模型需要較少的輸入和相對(duì)較小的計(jì)算量。在模型建立時(shí)，根據(jù)數(shù)據(jù)運(yùn)行規(guī)律提出了幾種模型，逐步完善后形成了最終模型。下面筆者將簡要介紹幾種模型的建立情況。

2.1 模型一

模型一用于判斷數(shù)據(jù)的上升沿和下降沿，以上升沿和下降沿為端點(diǎn)確定穩(wěn)態(tài)區(qū)間，并根據(jù)當(dāng)前生產(chǎn)工藝控制范圍進(jìn)行有效報(bào)警。模型一如圖2所示。

如圖2所示，該模型將數(shù)據(jù)分為了2段，分別是A到B與B到D.在這2個(gè)區(qū)域內(nèi)，可以實(shí)現(xiàn)異常信息的有效報(bào)警，但是，針對(duì)B區(qū)域的生產(chǎn)中斷情況卻不能進(jìn)行有效報(bào)警，模型將此區(qū)域認(rèn)為是生產(chǎn)結(jié)束。為此，相關(guān)工作人員改進(jìn)了模型，在其中加入了動(dòng)態(tài)時(shí)間窗口。

2.2 模型二

根據(jù)投料量和電子稱流量實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)計(jì)算當(dāng)前生產(chǎn)所需時(shí)間，以判定穩(wěn)態(tài)區(qū)間。模型二的主要功能如下：①實(shí)時(shí)獲取含水率數(shù)據(jù)；②判斷含水率數(shù)據(jù)是否出現(xiàn)上升沿；③當(dāng)數(shù)據(jù)進(jìn)入上升沿且數(shù)據(jù)持續(xù)處于工藝控制區(qū)間時(shí)，確定數(shù)據(jù)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，即時(shí)間窗口的開端；④根據(jù)物料投料量和電子秤流量（設(shè)備加工速度）動(dòng)態(tài)判斷生產(chǎn)完該批物料的所需時(shí)間，該時(shí)間便是時(shí)間窗口的結(jié)束時(shí)間；⑤在時(shí)間窗口結(jié)束前后一段時(shí)間判斷數(shù)據(jù)是否出現(xiàn)下降沿，如果出現(xiàn)這種情況，將再次調(diào)整時(shí)間窗口，將結(jié)束時(shí)間定為下降沿處。時(shí)間窗口示意情況如圖3所示。

當(dāng)前時(shí)間窗口時(shí)間長度計(jì)算公式為：

Tt =（M-m）/Vt. （1）

式（1）中：Tt為當(dāng)前時(shí)間窗口時(shí)間長度，即還需要監(jiān)控多長時(shí)間；M為物料投料量；m為已生產(chǎn)物料質(zhì)量（通過電子秤物料累積量獲取）；Vt為當(dāng)前電子秤流量值。根據(jù)式（1）便可實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)間窗口的動(dòng)態(tài)估算。

由于投料量與電子秤流量存在一定誤差，可能會(huì)出現(xiàn)窗口結(jié)束時(shí)間晚于實(shí)際結(jié)束時(shí)間（時(shí)間窗口A）的情況，也可能出現(xiàn)窗口結(jié)束時(shí)間早于實(shí)際結(jié)束時(shí)間（時(shí)間窗口B）的情況，因此，要依靠數(shù)據(jù)下降沿再次確定時(shí)間窗口的結(jié)束時(shí)間。下降沿的判斷必須在時(shí)間窗口結(jié)束點(diǎn)的前后幾分鐘進(jìn)行，不需要全程參與判斷，否則會(huì)出現(xiàn)誤判。據(jù)此便可精確確定時(shí)間窗口，此時(shí)間窗口也即穩(wěn)態(tài)區(qū)間，通過該區(qū)間內(nèi)的工藝參數(shù)與控制區(qū)間的比對(duì)便可進(jìn)行有效的異常信息報(bào)警。

3 模型驗(yàn)證和系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

為了驗(yàn)證模型的正確性，工作人員提取了存于歷史數(shù)據(jù)庫中的回潮機(jī)出口含水率數(shù)據(jù)、電子秤流量數(shù)據(jù)、物料累積量數(shù)據(jù)和工藝控制區(qū)間，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線如圖4、圖5、圖6所示。

為了檢測模型效果，工作人員在真實(shí)歷史數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上添加了2個(gè)數(shù)據(jù)異常點(diǎn)和1個(gè)生產(chǎn)中斷點(diǎn)。

這批物料出口含水率控制范圍在20%±1.5%之間，投料量為6 000 kg。將這些參數(shù)作為輸入值，在Winfrom上建立模型，得到以下實(shí)驗(yàn)結(jié)果，具體如圖7、圖8、圖9所示。

在試驗(yàn)過程中，共發(fā)生了3次異常報(bào)警，生產(chǎn)開始與生產(chǎn)結(jié)束后的數(shù)據(jù)波動(dòng)均未報(bào)警，與事實(shí)符合，模型建立成功。同時(shí)，為了進(jìn)一步提高異常報(bào)警的有效性，工作人員針對(duì)工作情況設(shè)計(jì)了相關(guān)規(guī)則，具體如表1所示。

4 結(jié)束語

本文提出了一種基于動(dòng)態(tài)時(shí)間窗口的制絲穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)異常報(bào)警方法，提高了異常報(bào)警的實(shí)時(shí)性和有效性。該方法利用物料投料量、電子秤流量、電子秤累積量和工藝控制參數(shù)，實(shí)時(shí)計(jì)算監(jiān)測時(shí)間窗口，從而有效判定穩(wěn)態(tài)區(qū)間，以此來進(jìn)行實(shí)時(shí)、有效異常信息報(bào)警。該報(bào)警系統(tǒng)最終在Winfrom平臺(tái)下完成其建設(shè)。

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〔編輯：白潔〕